Korzystając z soczewkowania grawitacyjnego, europejscy i amerykańscy astronomowie skonstruowali rozszerzoną “mapę masową” jednej z najpotężniejszych struktur we Wszechświecie. Wierzą, że doprowadzi to do lepszego zrozumienia w jaki sposób tworzyły się takie systemy i jaką rolę odgrywała ciemna materia.

Gromady galaktyk to największe stabilne układy we Wszechświecie. Są jak laboratoria, w których badać można związki pomiędzy rozkładami ciemnej i zwykłej materii. W 1937 roku Fritz Zwicky zdał sobie sprawę, że widoczna składowa gromady (miliardy gwiazd w każdej z tysięcy galaktyk) reprezentuje zaledwie niewielki ułamek całkowitej ich masy. Około 80-85 procent masy pozostaje niewidoczna i nazywana jest ciemną materią. Chociaż astronomowie wiedzieli o jej istnieniu od dziesięcioleci, znalezienie techniki do badania jej rozkładu to bardzo młode osiągnięcie.

Grupa kierowana przez Jean-Paula Kneiba (z Observatoire Midi-Pyrenees we Francji i Caltechu w USA), Richarda Ellisa oraz Tommaso Treu (Caltech) używała Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (HST) do stworzenia unikalnej “mapy masowej” gromady galaktyk oznaczonej CL0024+1654. Po raz pierwszy udało się zobaczyć jak w tak dużej skali wygląda rozkład tajemniczej ciemnej materii względem galaktyk. Dzięki temu dostaliśmy nowy klucz do zrozumienia w jaki sposób tworzą się tak wielkie gromady i jaką rolę w kosmicznej ewolucji odgrywa ciemna materia.

Śledzenie ciemnej materii jest trudne, gdyż nie świeci ona. Aby sporządzić mapę, astronomowie muszą skupić uwagę na słabszych, bardziej odległych galaktykach znajdujących się za gromadą. Wygląd tych odleglejszych systemów jest zaburzony przez grawitację znajdującej się bliżej gromady. Zaburzenie to pozwala na zmierzenie masy gromady poprzez zjawisko zwane słabym soczewkowaniem grawitacyjnym.

Sporządzenie mapy CL0024+1654 wymagało ponad 120 godzin obserwacji. To największa ilość czasu jaką HST kiedykolwiek poświęcił jednej gromadzie galaktyk. Mimo odległości wynoszącej około 4,5 miliarda lat świetlnych, gromada galaktyk zajmuje na niebie obszar porównywalny z tarcza Księżyca w pełni. Aby sporządzić jej mapę, potrzebne były obserwacje 39 rejonów gromady.

Wynikiem badań jest najdokładniejsze jak dotąd przebadanie rozkładu ciemnej materii w gromadzie galaktyk. Obejmuje ono obszar rozciągający się na 20 milionów lat świetlnych od centrum gromady. To znacznie więcej niż udało się uzyskać w czasie wcześniejszych badań. Wiele grup uczonych próbowało wykonywać podobne obserwacje za pomocą teleskopów naziemnych. Jednak technika badań polega na poszukiwaniu identycznych obrazów tych samych galaktyk. Ostre obrazy uzyskiwane z HST są przewagą Teleskopu.

Badania pokazują, że gęstość ciemnej materii w dużych skalach spada z odległością od centrum gromady. Potwierdza to wyniki uzyskane w czasie niedawnych dokładnych symulacji komputerowych. Richard Ellis powiedział: “Wprawdzie teoretycy na podstawie numerycznych obliczeń przewidzieli własności ciemnej materii w gromadach galaktyk opierając się jedynie na efektach działania grawitacji, po raz pierwszy udało się przeprowadzić badania potwierdzające je. Niektórzy astronomowie spekulowali, że gromady mogą zawierać duże zasoby ciemnej materii w najbardziej zewnętrznych rejonach. Zakładając, że zbadana gromada jest reprezentatywna, stwierdzić można iż nie ma to miejsca“.

Zespół zauważył, że ciemna materia zdaje się grupować na ich mapie. Znaleźli na przykład koncentracje ciemnej materii związaną z galaktykami, o których wiadomo że powoli opadają na gromadę. Generalnie astronomowie stwierdzili, że ciemna materia podąża za galaktykami w gromadzie. “Kiedy gromada tworzy się, ciemna materia znajduje się między galaktykami i działa jak klej” – powiedział Jean-Paul Kneib. “Związek pomiędzy ciemną i zwykłą, świecącą materią jest mocno przemawiającym dowodem, że struktury takie jak w CL0024+1654 rosły przez przyłączanie mniejszych grup galaktyk wraz z otaczającą je już ciemną materią“.

Przyszłe obserwacje za pomocą zainstalowanego na HST urządzenia Advanced Camera for Surveys (ACS), rozszerzą badania na kolejną gromadę. Badania będą prowadzone jeszcze w tym roku. ACS jest 10 razy bardziej czuły niż urządzenie Wide Field and Planetary Camera 2 za pomocą którego prowadzono omawiane badania.

Autor

Michał Matraszek